三相异步电机闭环调速设计

1、 控制系统设计课程设计报告 学院：信息工程学院 姓名： 班级：11自动化 学号： 题目：三相异步电动机闭环调速系统设计与实践 指导老师： 完成时间：2014年6月20日 目 录摘 要I1概述11.1三相异步电动机的调速方法21.2调压调速的简介31.3课程设计的要求52三相异步电动机调压调速系统的组成53三相异步电动机调压调速系统的设计和实现83.1三相异步电动机调压调速系统的电路83.2闭环调速结构图103.3 系统各部分参数的计算104三相异步电动机调压调速系统的仿真134.1MATLAB仿真的介绍134.2电路的建模和参数设置134.3异步电机调压调速系统仿真模型164.4仿真效果图17

2、总结22参考文献23摘 要异步电动机具有结构简单、制造容易、维修工作量小等优点，早期多用于不可拖动。随着电力电子技术的发展，静止式变频器的诞生，异步电动机在可拖动中逐渐得到广泛的应用。实现电机调速有不少方法。研究电机调速，找出符合实际的调速方法能最大限度的节约能源，所以研究调压调速就显得很有必要。异步电机调压调速控制系统是一种比较简单实用的调速系统，该系统具有良好的运行、控制及经济性能，显示出巨大的发展潜力。 本课程设计介绍了异步电动机调压调速系统的几大组成部分，并着重讲述了三相异步电动机(M)、测速发电机(TG)、晶闸管交流调压器(TVC)的简单的工作原理。在了解异步电动机调压调速的基本原理

3、的基础上，设计了异步电动机单闭环调压调速系统的结构原理图。还将调压调速与其他的调速方法相比，所具有的优点以及不足之处。以转速单闭环调压调速系统为例，电机调速开环控制系统调速范围较小，采用速度作为负反馈的闭环控制系统解决了这个问题,使调速性能得到改善。最后，经过理论分析建立模型后，基于Matlab语言开发仿真软件，并进行仿真实验，并且对仿真结果进行了一定的分析及改进。关键词: 调压调速 MATLAB 三相异步电动机 转速调节器241概述直流电力拖动和交流电力拖动在19世纪先后诞生。在20世纪上半叶的年代里，鉴于直流拖动具有优越的调速性能，高性能可调速拖动都采用直流电机，而约占电力拖动总容量80%

4、以上的不变速拖动系统则采用交流电机，这种分工在一段时期内已成为一种举世公认的格局。交流调速系统的多种方案虽然早已问世，并已获得实际应用，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。直到20世纪60-70年代，随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流拖动系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，高性能交流调速系统便应运而生，一直被认为是天经地义的交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打破了。交流调速系统的应用领域主要有三个方面：l 一般性能的节能调速 l 高性能的交流调速系统和伺服系统 l 特大容量、极高转速的交流调速 (1) 一般性能的节能调速在过去大量的所谓“不变速交流拖动

5、”中，风机、水泵等通用机械的容量几乎占工业电力拖动总容量的一半以上，其中有不少场合并不是不需要调速，只是因为过去的交流拖动本身不能调速，不得不依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量，因而把许多电能白白地浪费了。如果换成交流调速系统，把消耗在挡板和阀门上的能量节省下来，每台风机、水泵平均都可以节约 20-30% 以上的电能，效果是很可观的。(2) 高性能的交流调速系统和伺服系统许多在工艺上需要调速的生产机械过去多用直流拖动，鉴于交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高，如果改成交流拖动，显然能够带来不少的效益。但是，由于交流电机原理上的原因，其电磁转矩难以像直流电机

6、那样通过电枢电流施行灵活的实时控制。(3) 特大容量、极高转速的交流调速直流电机的换向能力限制了它的容量转速积不超过106 /，超过这一数值时，其设计与制造就非常困难了。交流电机没有换向器，不受这种限制，因此，特大容量的电力拖动设备，以及极高转速的拖动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流调速为宜。与直流调速系统相比，交流调速系统具有以下特点： l 容量大； l 转速高且耐高压； l 交流电动机的体积、重量、价格比同等容量的直流电动机小，且结构简单、 经济可靠、惯性小； l 交流电动机环境使用性强，坚固耐用，可以在十分恶劣的环境下使用； l 高性能、高精度的新型交流拖动系统已达同直流拖动系统一样

7、的性能指标； l 交流调速系统能显著的节能； 从各方面看，交流调速系统最终将取代直流调速系统。 计算机仿真技术在交流调速系统的应用，使得对交流调速的性能分析和研究变的更为方便。传统的计算机仿真软件包用微分方程和差分方程建模，其直观性、灵活性差，编程量大，操作不便。随着一些大型的高性能的计算机仿真软件的出现，实现交流调速系统的实时仿真可以较容易地实现。如：matlab软件已经能够在计算机中全过程地仿真交流调速系统的整个过程。matlab语言非常适合于交流调速领域内的仿真及研究，能够为某些问题的解决带来极大的方便并能显著提高工作效率。随着新型计算机仿真软件的出现，交流调速技术必将在成本控制、工作效

8、率、实时监控等方面得到长足进步。 交流调速技术发展到今天，相对而言已经比较成熟，在工业中得到了广泛的应用，但是随着一些新的电力电子器件和一些新的控制策略的出现，工业应用对交流调速系统又提了新的要求，现代交流电机调速技术的研究和应用前景十分广阔。1.1三相异步电动机的调速方法异步电机的调速方法有不少，根据异步电机的转速公式 (1-1)其中为同步转速(r/min);为定子频率，也就是电源频率(Hz);为磁极对数。可知；异步电动机有以下三种基本调速方法：(1) 改变定子极对数调速。(2) 改变电源频率调速。(3) 改变转差率调速。1.2调压调速的简介由电力拖动原理可知，当异步电机等效电路的参数不变时

9、，在相同的转速下，电磁转矩与定子电压的平方成正比，因此，改变定子外加电压就可以改变机械特性的函数关系，从而改变电机在一定负载转矩下的转速。当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。为了扩大稳定运行范围，当调速在2：1以上的场合应采用反馈控制以达到自动调节转速目的。调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸

10、管调压器(TVC)等几种。晶闸管调压方式为最佳。交流调压器一般用三对晶闸管反并联或三个双向晶闸管分别串接在三相电路中，主电路接法有多种方案，用相位控制改变输出电压。调在异步电动机调速方法中，变压调速是异步电机调速方法中比较简便的一种。由电力拖动原理可知，当异步电机等效电路的参数不变时，在相同的转速下，电磁转矩与定子电压的平方成正比，因此，改变定子外加电压就可以改变机械特性的函数关系，从而改变电机在一定负载转矩下的转速。根据异步电动机的机械特性方程式 (1-3)其中 电动机的极对数,、电动机定子相电压和供电角频率,转差率,、定子每相电阻和折算到定子侧的转子每相电阻,、定子每漏感和折算到定子侧的转

11、子每相漏感可见，当转差率一定时，电磁转矩与定子电压的平方成正比。改变定子电压可得到一组不同的人为机械特性，如图2-2所示。在带恒转矩负载时，可以得到不同的稳定转速，如图中的A，B，C点，其调速范围较小，而带风机泵类负载时，可得到较大的调速范围，如图1-1中的D，E，F点。 图1-1 异步电动机在不同定子电压时的机械特性所谓调压调速，就是通过改变定子外加电压来改变电磁转矩，可得到较大的调速范围，从而在一定的输出转矩下达到改变电动机转速的目的13。为了能在恒转矩负载下扩大调压调速范围，使电机在较低速下稳定运行又不致过热，可采用电动机转子绕组有较高电阻值时的机械特性。在恒转矩负载下的交流力矩电动机的

12、机械特性。图1-2显示此类电动机的调速范围增大了，而且在堵转转矩下工作也不致烧毁电动机14。图1-2交流力矩电机在不同定子电压时的机械特性1.3课程设计的要求(1) 设计目的1. 通过对一个实用的三相异步电动机闭环交流调速系统的设计，安装，调试来综合运用科学理论知识，提高学生工程意识和实践技能，达到素质和创新能力进一步提升，是学生获得控制技术工程的基础训练。2. 通过系统建模和仿真，掌握用MATLAB/Simulink工具分析设计三相异步电动机速度控系统的方法。3. 进一步掌握各种交流调速系统的性能，尤其是动态性能。(2) 设计内容1.理论设计：根据所学的理论知识和实践技能，了解带转速外闭环的

13、基础原理，解决积分调节器的饱和非线性问题，采用工程设计的方法设计三相异步电动机闭环交流调速系统（包括主电路和控制电路，选择的元器件，系统等电器原理图）。2.仿真实践：根据所设计的系统，利用MATLAB/Simulink建立各个组成部分相应的数学建模，并对系统仿真进行综合调试，分析系统的动态性能，并进行校正，得出正确的仿真实验波形和合适控制器参数，为搭建实际系统提供参考。3.动手实践：根据所设计的系统，完成单元电路安装，系统组装，单元及系统调试（可利用试验台的某些挂件），得出实物实际波形和系统动，静态性能。2三相异步电动机调压调速系统的组成三相异步电动机转速单闭环调压调速是一种典型的转差功率消耗

14、型调速系统。图2-1为交流电机转速单闭环变压调速的电路。图2-1 交流电机转速单闭环变压调速电路交流调压调速是一种比较简便的调速方法。常见的异步电动机调压调速系统由以下六大基本部分组成：转速调节器(ASR)、触发装置(GT)、晶闸管交流调压器(TVC)、测速发电机(TG)、三相异步电动机(M)。这里主要介绍三相异步电动机(M)的结构，和测速发电机(TG)、晶闸管交流调压器(TVC)的具体结构以及工作原理。2.1三相异步电动机(M)三相异步电动机又称感应电动机,是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩,从而实现机电能量转换为机械能量的一种交流电动机。 异步电动机按照转子结构分为两种

15、形式:有鼠笼式、绕线式异步电动机。 作电动机运行的异步电机。因其转子绕组电流是感应产生的，又称感应电动机。异步电动机是各类电动机中应用最广、需要量最大的一种三相绕组接通三相电源产生的磁场在空间旋转，称为旋转磁场。转速的大小由电动机极数和电源频率而定。旋转磁场的转速称为同步转速。它与电网的频率及电机的磁极对数P的关系为： (2-1)转子在磁场中相对定子有相对运动，切割磁场形成感应电动势。转子铜条有电流，在磁场中受到力的作用，转子就会旋转起来。综上所述可知，三相异步电动机转动的基本工作原理。(1) 三相对称绕组中通入三相对称电流产生圆形旋转磁场。(2) 转子导体切割旋转磁场感应电动势和电流。(3)

16、 转子载流导体在磁场中受到电磁力的作用，从而形成电磁转距，驱使电动机转子转动。异步电机的旋转方向始终与旋转磁场的旋转方向一致，而旋转磁场的方向又取决于异步电动机的三相电流相序。因此，三相异步电动机的转向与电流的相序一致。要改变转向，只要改变电流的相序即可，即任意对调电动机的两根电源线，便可以实现电动机的反转。异步电动机的转速恒小于旋转磁场的转速，只有这样，转子绕组才能产生电磁转矩，使电动机旋转。如果，转子绕组与定子磁场之间无相对运动，则转子绕组中无感应电动势和感应电流产生，可见是异步电动机工作的必要条件。2.2交流测速发电机(TG)主要由内定子、外定子及在它们之间的气隙中转动的杯形转子所组成。

17、励磁绕组、输出绕组嵌在定子上,彼此在空间相差90°电角度。杯形转子是由非磁性材料制成。当转子不转时，励磁后由杯形转子电流产生的磁场与输出绕组轴线垂直，输出绕组不感应电动势；当转子转动时，由杯形转子产生的磁场与输出绕组轴线重合，在输出绕组中感应的电动势大小正比于杯形转子的转速，而频率和励磁电压频率相同，与转速无关。反转时输出电压相位也相反。杯形转子是传递信号的关键，其质量好坏对性能起很大作用。由于它的技术性能比其他类型交流测速发电机优越，结构不很复杂，同时噪声低，无干扰且体积小，是目前应用最为广泛的一种交流测速发电机。2.3晶闸管交流调压器(TVC)改变加在定子上的电压是通过交流调压器

18、实现的。目前广泛采用的交流调压器由晶闸管等器件组成。它是将三个双向晶闸管分别接到三相交流电源与三相定子绕组之间通过调整晶闸管导通角的大小来调节加到定子绕组两端的端电压。这里采用三相全波星型联接的调压电路。图2-2 Y型连接图图2-3 形连接电机绕组星型联接时的三相分支双向控制电路用三对晶闸管反并联或三个双向晶闸管分别串接在每相的绕组上。调压时用相位控制。当负载电流流通时，至少有一相的正向晶闸管和另一相的反向晶闸管同时导通，所以要求各晶闸管的触发脉冲宽度都大于60°。或者采用双脉冲触发。最大移相范围为150°.移相调压时，输出电压中含有奇次谐波，其中以奇次谐波为主。如果电机绕

19、组不带零线，则三次谐波电势虽然存在，却不会有三次谐波电流。由于电机绕组属于感性负载，电流波形会比电压波形平滑些。但仍含有谐波，从而产生脉动转矩和附加损耗等不良影响，这是晶闸管调压电路的缺点。3三相异步电动机调压调速系统的设计和实现3.1三相异步电动机调压调速系统的电路TG3M VTCGT ASR给定图3-1 单闭环调压调速系统结构图 测速发电机TG测得电动机转速即测速发电机的un,当nu,将u与给定电压比较得到一个电压变化值，将这个变化值作为放大器的输入端，经放大后的输出为触发器的发出信号，使触发器发出一定相位的脉冲，晶闸管调压器就输出一定值的电压，调节给定电压的大小就可以得到不同输出电压，从

20、而达到调速的目的。 调压调速即通过调节通入异步电动机的三相交流电压大小来调节转子转速的方法。理论依据来自异步电动机的机械特性方程式：其中，为定子每相电阻和折算到定子侧的转子每相电阻,为定子每相漏感和折算到定子侧的转子每相漏感,为电动机定子相电压和供电角频率,P 为电动机的极对数,S 为转差率其中， (3-1)式中， (3-2)在一般情况下，>>，则C11,这相当于将上述假定条件改为忽略铁损和励磁电流。这样，电流公式可简化成 (3-3)同步机械角转速 (3-4)3.2闭环调速结构图图3.3 闭环调速结构图 速度负反馈闭环调压调速系统的工作原理：将速度给定值与速度反馈值进行比较，比较后

21、经速度调节器得到控制电压，再将此控制电压输入到触发装置，由触发装置输出来控制晶闸管的导通角，以控制晶闸管输出电压的高低，从而调节了加在定子绕组上的电压的大小。 因此，改变了速度给定值就改变了电动机的转速。由于采用了速度负反馈从而实现了平稳、平滑的无级调速。同时当负载发生变化时，通过速度负反馈，能自动调整加在电动机定子绕组上的电压大小。由速度调节器输出的控制电压使晶闸管触发脉冲前移，使调压器的输出电压提高，导致电动机的输出转矩增大，从而使速度回升，接近给定值。3.3 系统各部分参数的计算转速调节器ASR常用PI调节器，用以消除静差并改善动态性能，其传递函数为 (3-5)晶闸管交流调压器的触发装置

22、的输入-输出关系原则上是非线性的，在一定范围内可假定为线性函数，在动态中可以近似成一阶惯性环节，正如直流调速系统中的晶闸管触发和整流装置那样。传递函数可写成 (3-6)其近似条件是 (3-7)考虑到反馈滤波作用，测速反馈环节ASR的传递函数可写成 (3-8)交流电机的动态过程是由一组非线性微分方程描述的，要用一个传递函数来准确地表示它的输入输出关系是不可能的。 在这里，可以先在一定的假定条件下，用稳态工作点附近的微偏线性化方法求出一种近似的传递函数。由式(3-9)已知电磁转矩为 (3-9)当s很小时，可以近似认为且后者相当于忽略交流电机的漏感电磁惯性。在此条件下， (3-10)这是在上述条件下

23、交流电机近似的线性机械特性。设A为近似线性机械特性上的一个稳态工作点，则在A点上 (3-11)A点附近有微小偏差时，Te= TeA+Te，Us = UsA +Us，而s = sA + s，代入式(3-11)得 (3-12)将式（3-12）展开，并忽略两个和两个以上微偏量的乘积，则 (3-13)从式(3-13)减去式(3-12)，得 (3-14)已知转差率 ，其中是同步角转速，w 是转子角转速，则 (3-15)将式(3-15)带入式(3-14)，得到 (3-16)式(3-16)就是在稳态工作点附近微偏量Te与Us和w间的关系。带恒转矩负载时的电力拖动系统运动方程式为 (3-17)按照上述相同的方

24、法处理,可以得到稳态工作点A附近的偏微量运动方程式 (3-18)4 三相异步电动机调压调速系统的仿真4.1MATLAB仿真的介绍MATLAB是由美国发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB产品族可以用来进行以下各种工作： 数值分析 数值和符号计算 工程与科学绘图 控制系统的设计与

25、仿真 数字图像处理技术 数字信号处理技术 通讯系统设计与仿真 特点；1) 高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来； 2) 具有完备的图形处理功能,实现计算结果和编程的可视化; 3) 友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言，使学者易于学习和掌握；4) 功能丰富的应用工具箱(如信号处理工具箱、通信工具箱等) ,为用户提供了大量方便实用的处理工具。4.2电路的建模和参数设置主电路主要由三相对称交流电压源、晶闸管、晶闸管三相交流调压器、交流异步电动机、电机信号分配器等部分组成。下面分别讨论三相交流电源、三相交流调压器、同步脉冲触发器、交流异步电动机、电机测试信号分配器

26、的建模和参数设置问题16。4.2.1 三相交流电源的建模和参数设置首先从图3-1中的电源模块组中选取一个交流电压源模块，再用复制的方法得到三相电源的另两个电压源模块，并把模块名称分别修改成A相、B相、C相。图4-1三相交流电压源模块A相得参数设置分别是：幅值(peak amplitude)取400V、初相位(Phase)设置成、频率(Frequency)设置为60HZ，其他为默认值。B、C的参数设置方法与A相相同，除了将初相位设置成互差以外，其它参数都与A相相同。由此可得到三相对称交流电源。4.2.2 晶闸管三相交流调压器的建模与参数设置晶闸管三相交流调压器通常是采用三对反并联的晶闸管元件组成

27、，单个晶闸管元件采用“相位控制”方式，利用电网自然换流。图3.4中所示为晶闸管三相交流调压器的仿真模型。图4-2晶闸管三相交流调压器仿真模型子系统触发脉冲的顺序为V1V2V3V4V5V6，其中V1V3V5之间和V4V6V2之间互差120度，V1V4之间、V3V6之间、V5V2之间互差180度。将以上调压器封装后模块如图4-3所示。图4-3 三相交流调压器子系统封装图4.2.3 同步脉冲触发器的建模和参数设置通常，工程上将触发器和晶闸管整流桥作为一个整体来研究，所以，在此处讨论同步脉冲触发器。同步脉冲触发器包括同步电源和6脉冲触发器两部分。6脉冲触发器需要三相线电压同步，所以同步电源的任务是将三

28、相交流电源的相电压转换成线电压。同步电源与6脉冲触发器符号如图4-4所示.图4-4闭环调压调速系统仿真模型4.2.4 速度调节器的建模和参数设置速度调节器通常采用PI控制，比例和积分参数的设置要根据系统的仿真结果不断地变化改动，以得到最稳定的输出特性以及动态特性。限幅器、速度反馈环节也一样。具体方法是分别设置这些参数的一个较大和较小的值进行仿真，弄清它们对系统性能影响的趋势，据此逐步将参数进行优化。在此仿真中，经过不断地变化改动，最终确定转速调节器为(1) 比例常数(Proportional)为4；(2) 积分时间常数 (Integral)为0.1；(3) 微分时间常数(Derivative)

29、为0(PI控制)。4.3 异步电机调压调速系统仿真模型图4-5三相异步电机闭环调压调速整体仿真模型图异步电动机速度负反馈闭环调压调速系统的仿真模型如上图所示，将速度给定值与速度反馈值进行比较，比较后经速度调节器得到控制电压，再将此控制电压输入到触发装置，由触发装置输出来控制晶闸管的导通角，以控制晶闸管输出电压的高低，从而调节了加在定子绕组上电压的大小。因此，改变速度给定值就改变了电机的转速。由于采用了速度负反馈从而实现了平稳平滑的无级调速。同时负载发生变化时，通过速度负反馈，能制动调整加在定子绕组上的电压的大小，由速度调节器输出的控制电压使晶闸管触发脉冲迁移，是调压器的输出电压提高，导致电动机

30、的输出转矩增大，从而使速度回升，接近给定值。这种调速方法既不是恒转矩调速，也不是恒功率调速。如果拖动恒转矩负载，而转速又较低时，损耗将增加，不宜于长期低速运行。如果拖动风机类负载，随着转速的降低负载转矩减小，电动机输出转矩也相应减小，从而减小了损耗，所以这种调速方法更适合于与风机类负载相配合。异步电动机调压调速通常适用于绕线型异步电动机。4.4仿真实现已知电机的参数；电机功率P=3.7KW， 相电压U=460V 定子相绕组电阻RS=1.11 转子相绕组电阻=1.083 定转子之间的互感Lm=0.438H 极对数P=2转动惯量J=0.02kg.m2 额定转速ne=2400r/min由公式Tz=k

31、n ²可推出k=Tz/n ²电机参数额电压460v 频率为60Hz 极对数为2对容量为3730VA 同步转速为1800转/分钟可以计算k=0.000003665最终，将参数一一设定好并将各模块调节好后，运行仿真模型，并根据所出图形对参数进行微调，最后得到仿真结果。具体的仿真结果图分别如下：图4-6 三相异步电机闭环调压调速转速输出图4-7 三相异步电机闭环调压调速转矩输出图4-8三相异步电机闭环调压调速电磁转矩输出同时，为了验证模型调压调速模型的通用性以及通过调节相电压测试不同相电压下模型的调速效果，建立了380V、410V、460V、480V、520V五种不同情况下的仿真模型，并根据的到的仿真结果分析达到最佳效果时的相电压大小。以下是具体的仿真结果图：图4-9相电压为520V时三相异步电机闭环调压调速转速输出图4-10相电压为480V时三相异步电机闭环调压调速转速输出图4-11相电压为460V时三相异步电机闭环调压调速转速输出图4-12相电压为410V时三相异步电机闭环调压调速转速输出图4-13相电压为380V时三相异步电机闭环调压调速转速输出最终可以得到如下结论：（1） 启动阶段大约时间为0.18s，系统反应速度比较快，上升时间比较短。（2） 利